基于微结构光纤选择性流体控制技术的模式耦合与传感应用研究

Microstructured fibers (MOFs) are a new type of optical fibers, and the researcher can fill the air holes with functional material based on the unique cladding structure. In recent years, the developing of the selective filling technology makes the functional materials can be independent waveguides in the fiber, the mode in which will be resonant with the core-mode. There are specific physical phenomena in the resonant process, such as twin-resonance-coupling or strongest resonant point, and can be used as high sensitivity fiber sensor. The research on the new type of selective fluid-controlling technology will make the MOFs present various novel physical characteristics and new mechanisms, and has important practical significance. This project will firstly realize the fiber selective fluid-controlling technology by fiber side-polishing technology, selective filling technology and ultraviolet curable polymer. Then we establish the theoretical model of mode coupling in different fluid distribution, and further study the physical phenomena and mechanism in the resonant process, based on which the fluid sensors can be designed. At last, two or three fluid sensors will be studied experimentally，and a high sensitivity concentration sensor of deoxyribonucleic acid (DNA) will be realized. The project have wider application prospect in the areas of physics, biology and chemistry.

微结构光纤是一种新型光纤，其独特的包层结构使研究人员能将功能材料填充到光纤内部的空气孔中。近年来选择性填充技术的兴起，使功能材料能在光纤中形成独立波导，并与光纤纤芯发生谐振。该谐振过程中，存在着如模式群折射率差值零点、孪生耦合等特异的物理现象，并可用作高灵敏度的传感。通过对新型光纤选择性流体控制技术的研究，可以扩展流体材料与光纤结合的方式，更深入地研究该谐振效应中所存在的新奇现象和新机理，并挖掘其在光纤流体传感领域的应用潜力。本项目首先结合光纤侧向抛磨技术、选择性填充技术和紫外聚合物固化技术，实现光纤选择性流体控制系统；然后建立不同流体波导分布模式耦合理论模型，深入研究模式耦合过程中的特殊物理现象及其背后的理论机制，并设计出具有优异特性的流体传感系统；最后搭建2~3种结构的流体传感装置，实现高灵敏度生物DNA浓度检测，同时探究该技术在物理、化学、生物等多个学科领域中更加广阔的应用前景。

微结构光纤因在包层中引入了空气孔排列，不仅可以实现对光纤导光特性的调控，还使得研究人员得以将功能材料集成到光纤内部，从而实现纤芯导模与功能材料之间的相互作用，极大地扩宽了光纤在传感和通讯领域的应用。有别于传统的微结构光纤材料集成技术，近年所出现了光纤流体控制技术，能够实现在光路不断开的前提下，对光纤内部的功能材料进行替换、甚至使材料在光纤中流动，从而实现对材料物理、化学、生物等特性更加灵活的传感应用。.本项目主要结合光纤抛磨技术及微结构光纤选择性填充技术，提出并实现了多种光纤流体控制系统。通过建立侧向抛磨光纤的理论模型，理论分析和数值研究了不同抛磨方案和抛磨深度对光纤导光特性的影响。同时基于导入流体波导与纤芯模式之间谐振耦合的理论模型，设计了不同类型光子晶体光纤的流体导入方案，并研究纤芯模式与流体波导模式之间耦合的基本规律和物理现象。结合理论推导和数值仿真等方法，进一步地探究了信号光与流体材料之间的作用过程。以光子带隙效应、Sagnac干涉效应、微波光子传感系统等理论方法为基础，设计了适用于不同光学特性流体传感的光纤系统，并分析了系统参量对传感特性的影响。.突破了侧抛D型光纤在与光子晶体光纤进行熔接时，存在的诸多技术难题，实现了两种光纤较低损耗的熔接。结合流体的导入和导出装置，实验搭建了多种光纤流体控制系统，并可通过调整D型光纤参数，改变流体在光纤中流经的位置，影响光纤的导光特性。对折射率匹配液进行了传感实验研究，实验结果表明，所搭建流体传感系统的灵敏度达到了5543.64 nm/ RIU。进一步地，以鲑鱼DNA溶液、谷氨酸溶液及精氨酸溶液作为研究对象，在不同结构的光纤流体传感系统中，分别获得了6.19877×10^5 nm·ml/mol、1.6981×10^5 nm·ml/mol、4.5208×10^4 nm·ml/mol的传感灵敏度，结合高精度光谱仪的分辨极限，所设计的流体传感系统对鲑鱼DNA溶液的探测灵敏度达到10^-11mol/ml，超过了目标10^-9 mol/ml量级。.该项目的研究为光纤流体控制系统的设计提供了理论和实验基础，并探究了流体控制系统在交差学科领域的应用前景。